高速公路高性能混凝土配合比设计

江小明

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162）

本文结合实际项目开展综合研究，目标项目选定为石柱至黔江高速公路二分部管段，该线路合计13.74km（单线），主要施工内容包括三汇隧道出口段、三汇互通立交1 座、金竹隧道、七曜山隧道进口段、主线路基及三汇互通连接线等。配合比设计的科学与否，直接关系着整个项目的质量和效率，因此开展该方面的研究具有重要的现实意义。

1 高性能混凝土概述

虽然近些年很多专家学者对高性能混凝土给予了高度关注，但是在学术研究中对于高性能混凝土还没有形成统一明确定义，本文综合前人研究成果将高性能混凝土理解为采用现代制作工艺生产的耐久性、抗压性以及稳定性显著提升的一种新型混凝土[1]。与常规意义上的混凝土相比，高性能混混凝土具有其自身的优势，比如耐久性强、设计寿命偿等等。由于二者的特点不同，因此在实际施工中侧重点各不相同，其中普通混凝土主要关注其抗压强度，高性能混凝土主要关注其耐久性，同时兼顾考虑抗压性以及稳定性[2]。由于二者具有不同的特点，因此二者的生产也存在差异，对于高性能混凝土来说，常规生产方法难以满足其设计需求。

2 高性能混凝土原材料分析

2.1 骨料

根据颗粒的尺度标准，可以将骨料划分为粗、细骨料两大类，下文有针对性的对二者的特点和差异进行详细的阐述。首先，细骨料。为满足高性能混凝土的实际性能，必须严格按照标准规范选择合适的河砂，并从以下几个角度进行质控。一是骨料颗粒级配必须达到规范标准，同时对于强度等级达到C30-C45 的高性能混凝土，细骨料的含泥量必须控制在2.5%以下；二是C50 级别的含泥量临界值为2.0%，第三，如有抗冻需求，则含泥量临界值为1.0%；四是严格控制云母、泥块等物质的含量，通常情况下其临界值一般为0.5%；五是吸水率要控制在2%以下；六是严格控制硫化物、氯离子等物质的含量，通常情况下其临界值一般为0.5%、0.02%；七是坚固性应控制在8%以下。对于粗骨料，高性能混凝土主要以碎石为主，但是通常来说不建议采用砂岩碎石，主要原因在于砂岩碎石的坚硬度不够，具体的质量要点包括如下几个方面。首先，对于C30-C45 级别的高性能混凝土来说，需要控制骨料针片状颗粒的含量，其阈值为8%，含泥量的临界值为1%；如果需要满足抗冻需求，上述两个指标的临界值则为7%、0.7%；其次，如果为C50 级别，那么骨料针片状颗粒含量的临界值为5%，相应的含泥量的临界值调整为0.5%；第三，骨料泥块含量的临界值为0.2%；第四，严格控制骨料的硫化物、氯离子等物质的含量，通常情况下其临界值一般为0.5%、0.02%；第五是骨料坚固性应控制在8%以下。

2.2 水泥

对于高性能混凝土来说在具体生产过程中通常不选用早强水泥，主要以42.5 普通硅盐酸水泥为主。众所周知，不同级别的混凝土对水泥的要求存在差异，在实际施工过程中需要结合实际情况妥善处理。部分高性能混凝土在性能方面具有一些特殊要求，那么应该基于其性能要求合理选择水泥[3]。一般情况下水泥选择质量要点包括如下几个方面。一合理控制水泥比表面积指标，一般来说不超过350m2/kg；二是严格控制铝酸三钙的含量，其临界值选取为8.0%；三是碱含量需要控制在0.8%以下；四是严格控制氯离子的含量，其临界值选取为0.06%；五是严格控制游离氧化钙的含量，其临界值选取为1.0%。

2.3 矿物掺合料

对于高性能混凝土来说其矿物掺合料建议采用煤灰粉以及矿渣粉，如果材料获取困难，也可以采用其他材料代替[4]。本文以煤灰粉为例对其质量要点进行分析。首先，对于级别为C50 以下高性能混凝土，其矿物掺合料细度一般不超过25.0%，需水量一般不超过105.0%，烧失量则需要控制在8.0%水平之下；二是C50 及以上高性能混凝土的矿物掺合料细度、需水量以及烧失量应分别控制在12.0%、95.0%和5.0%水平之下；三是严格控制三氧化硫的含量，其临界值选取为4%；四是严格控制氯离子的含量，其临界值选取为0.02%；五是限制氧化钙的含量，其临界值选取为10.0%，与之相对应的游离氧化钙的临界值则为1.0%六是含水量应控制在1.0%以下。

2.4 水

在配比过程中，水也是需要重点考虑的因素，在实际施工过程中多以常规饮用水为主。总体来说，对于水的质量控制需要重视以下几方面。一是要求水的PH 值应该大于等于6.5；二是要求水尽量洁净，有效控制不溶物和可溶物含量低于2g/L 和5g/L；三是限制氯化物的含量，其临界值选取为1g/L，与之相对应的碱、硫酸盐含量的临界值分别选取为1.5g/L、2g/L ；四是高性能混凝土要求水的28d 强度比应该大于等于90%；五是要求水的凝结时间应该在0.5h 之内。

2.5 外加剂

高性能混凝土中最为常见的外加剂为减水剂，合理控制其含量有助于获得良好的坍塌度，避免发生水化热情况，保障质量。同时通过添加适量的减水剂可以增加细微气泡数量，这种细微气泡数量的增加对于改善抗冻性能具有积极意义，对于由抗冻性要求的混凝土特别适用。对于减水剂的使用需要结合实际性能需求，具体问题具体分析，合理选择型号用量，以萘系高效减水剂为例，其对于改善稳定性具有良好的作用，在具体使用过程中可以基于项目需求进行合理选择。

3 实例分析

前文已经提及配合比设计是影响施工质量的关键因素之一，为保证施工质量，需要在实际施工中必须高度重视配合比设计。需要注意的是高速公路不同部位对于高性能混凝土性能具有不同的需求，因此在实际中需要考虑道路结构部位等因素的影响[5]。

3.1 桩基混凝土配合比设计研究

本文高速公路项目要求桩基部位采用C30 高性能混凝土，对配合比要求如下。一是胶材料用量的上下临界值分别为280kg/m3、440kg/m3；二是基于水胶比指标的不同合理调整煤灰粉以及矿渣粉含量。当水胶比指标超过0.40时，煤灰粉、矿渣粉的含量最大临界值多取为40.0%、50.0%；反之则将煤灰粉、矿渣粉的含量最大临界值调整为为30.0%、40.0%；第三，有效控制水胶比的最大林临界值为0.55；第四，限制氯化物、三氧化硫的含量，其临界值分别选取为0.1%和4.0%。

3.2 墩台体混凝土配合比设计研究

众所周知，墩台体是高速公路的重要构成之一，其所处的环境多以碳化、冻融环境为主，其条件特点见下表1 所示。

表1 墩台体混凝土环境类别概述

从上表可以看出，根据不同的作用级别，可以将碳化环境进一步细分为T1、T2 和T3 等界别。其中对于T1 级别来说，墩台体混凝土级别不能低于C30，其胶材料含量上、下临界值分别为280kg/m3、400kg/m3，水胶比最大临界值为0.50；对于T2 级别来说，墩台体混凝土级别不能低于C35，其胶材料含量上、下临界值分别为300kg/m3、400kg/m3，水胶比最大临界值为0.50；对于T3 级别来说，墩台体混凝土级别不能低于C40，其胶材料含量上、下临界值分别为320kg/m3、450kg/m3，水胶比最大临界值为0.45。在水胶比不超过0.40 的条件下，煤灰粉、矿渣粉含量的最大临界值为40.0%、50.0%，反之当水胶比超过0.40 时，上述指标的最大临界值为30.0%、40.0%。

从上表可以看出，根据不同的作用级别，可以将冻融环境进一步细分为D1、D2 和D3 等界别。其中对于D1 级别来说，墩台体混凝土级别不能低于C35，其胶材料含量上、下临界值分别为300kg/m3、400kg/m3，水胶比最大临界值为0.50；对于D2 级别来说，墩台体混凝土级别不能低于C40，其胶材料含量上、下临界值分别为320kg/m3、450kg/m3，水胶比最大临界值为0.45；对于D3 级别来说，墩台体混凝土级别不能低于C45，其胶材料含量上、下临界值分别为340kg/m3、450kg/m3，水胶比最大临界值为0.40。在水胶比不超过0.40 的条件下，煤灰粉、矿渣粉含量的最大临界值为30.0%、40.0%，反之当水胶比超过0.40 时，上述指标的最大临界值为20.0%、30.0%。

3.3 梁体混凝土配合比设计研究

综上研究认识，将目标项目梁体结构混凝土的级别设定为C50。实际调研发现，目标区环境对应表1 中的T2。因此，在施工设计过程中，需要限制胶材料的含量，确保其处于临界值300 -400kg/m3 范围内，二是注意水胶比不能超过0.35；三是确保煤灰粉不超过40.0%、矿渣粉不超过50.0%；四是在确定确定胶材料用量之后，应控制最小含气量和三氧化硫含量分别小于其2.0%和4.0%。

4 结束语

基于上述分析，高性能混凝土相比普通混凝土在高速公路施工中具有显著优势，能够有效延长高速公路使用寿命，对于高速公路的维护和保养也具有积极意义。配合比设计是影响施工质量的关键因素之一，一方面应该基于相关标准规范和项目实际情况严格控制原材料质量，在此基础上应该考虑到高速公路不同部位对于高性能混凝土具有不同的要求，因此应该基于不同结构部位分别开展混凝土配合比设计，确保高性能混凝土能够有效满足高速公路项目施工要求。